Numero 12 ­ Mayo 2005   

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 Protección contra sobrecorrientes en B.T. (parte 2ª) Se muestran ejemplos de aplicación de los interruptores automáticos para riel DIN (IEC 60898) para protección contracorrientes de sobrecargas y cortocircuitos.  En el artículo anterior estuvimos describiendo las características de uno de los 2 tipos de interruptores automáticos deuso común en las instalaciones eléctricas de baja tensión en nuestro país: los interruptores automáticos para riel DIN dela norma IEC 60898 (desde aquí, nosotros le vamos a llamar simplemente por el nombre “interruptor de riel” dado que esel nombre común usado en la jerga de los instaladores).En dicho artículo se mostró que dichas características de funcionamiento no son propiedad de ningún fabricante enparticular, pues están establecidas en la norma internacional IEC 60898 (aceptada en nuestro país por la URSEA). Deesta forma, se vuelve casi un sinónimo hablar de las características de un interruptor de riel, o hablar de un interruptorsegún la IEC 60898*.En este artículo veremos los lineamientos generales, y algunos ejemplos, para saber  elegir un interruptor de riel envirtud de las sobrecorrientes en un circuito eléctrico.Para esto debemos empezar por diferenciar 2 tipos de sobrecorrientes: las corrientes de sobrecarga y las corrientes decortocircuito. Protección contra sobrecargas. Una exigencia básica a solicitar a un interruptor automático encargado de proteger sobrecorrientes, es que el mismoesté dimensionado adecuadamente tanto para la carga eléctrica a ser conectada como para el conductor a serprotegido.Si por un conductor circula una corriente mayor a la admisible (que llamaremos IZ) su temperatura tiende a estabilizarseen un valor superior a la temperatura admisible, la cual depende del tipo de aislamiento (70 ºC para PVC y 90ºC paraXLPE). Si la temperatura se mantiene por encima de la admisible, la vida útil del conductor (estimada en 20 a 30 años)se verá fuertemente reducida.Esta corriente IZ, además, no es un valor fijo, pues depende de las condiciones en que el conductor esté instalado, esdecir, al aire libre, en bandejas, etc., así como de la temperatura del ambiente en la que el mismo vaya a ser instalado.Por lo tanto, el interruptor elegido deberá asegurarnos que abrirá el circuito ante corrientes que sean mayores a lasprevistas por el correcto funcionamiento de la carga eléctrica y que puedan llegar a dañar la aislación del conductor delcircuito.    Debemos recordar que, en funcionamiento normal, una carga eléctrica puede consumir corrientes superiores a lasnormalmente esperadas, como es el caso de los motores (durante su encendido), ciertos tipos de lámparas, unacomputadora, etc., pero ante estas sobrecorrientes transitorias (previsibles y que deben ser conocidas por el técnicoproyectista) el interruptor no debe abrir (para este fin existen, por ejemplo, las distintas curvas B, C y D). Las condiciones máximas de funcionamiento de un conductor, en función de la corriente que lo atraviesa, del tiempoque dura dicha corriente y en una situación de régimen, están dibujadas en la figura 1 (línea a trazos). 

 figura 1: Condición conceptual para la protección frente a corrientes de sobrecargas

             

                                                                     

  Por lo tanto, el interruptor que proteja dicho circuito, deberá tener una curva de sobrecarga que sea como la que semuestra en la misma figura (línea continua) dado que de esta forma se logrará que ninguna condición de sobrecargallegue a someter al conductor a una situación crítica.Dicha condición se logra muy sencillamente cuando disponemos de interruptores de riel, pues la curva de sobrecarga delos mismos (curva de disparo térmico) está hecha de forma que cumpla la figura 1 (este es justamente uno de losmotivos de la existencia de la norma IEC 60898 y de muchas de las características constructivas que establece lamisma), es decir, que se encuentre por debajo de la curva del conductor.En la práctica, el método es tan sencillo como comenzar estableciendo los siguientes 2 valores de corriente: IB = corriente estimada que diseño de nuestro circuito eléctrico (generalmente el consumo de la carga).IZ = capacidad de conducción de corriente del conductor del circuito, afectado de los factores de corrección a lascondiciones va a estar instalado. Una vez establecido esto, debemos comenzar eligiendo un interruptor de valor nominal  IN tal que se cumpla: 1. IN > IB , es decir, proteger al circuito ante altos consumos inesperados del circuito eléctrico.2. IN < IZ , es decir, proteger al conductor ante sobrecorrientes que lleve al mismo a temperaturas límites defuncionamiento. Ejemplo1: Una carga eléctrica monofásica de 30 A (230 V) está alimentada desde un conductor unipolar de cobre de 6mm2 con aislación de PVC. El recorrido de la instalación es corto y se despreciará la caída de tensión en la línea. Lacarga posee una corriente de arranque elevada. El cable está dentro de un conducto en donde hay coexisten 5 cablesmás. La temperatura ambiente promedio es de 25 ºC. Verificar que la sección sea correcta y establecer la corrientenominal del interruptor:. Según el reglamento de UTE (donde siempre nos basaremos) la corriente máxima admisible de un conductor de cobrede 6 mm2 con aislación de policloruro de vinilo (PVC), dentro de un conducto, es de 43 A. Debido a que en total serán 7cables en un mismo conducto, el valor de corriente admisible debe corregirse por un factor de 0,9. Es decir, que lamáxima corriente admisible será de 43x0,9 = 38,7 A . Por lo tanto, debemos elegir un interruptor de riel cuya corrientenominal sea superior a 30 A e inferior a 38,7 A.Según la norma IEC 60898 los datos de corriente de un interruptor están dados a 30 ºC, que es la temperatura quevamos a tomar como referencia, pues suponemos que el mismo estará en un tablero cerrado y en el interior de unafábrica (por lo tanto, no tendremos que considerar ningún coeficiente de corrección al elegir el interruptor).Con estos datos elegimos un interruptor de IN = 32 A, curva D (debido a que nos dicen que tiene una corriente dearranque elevada)Debemos notar que si hubiéramos elegido un cable de 4 mm2 (34 A de corriente máxima admisible, luego de habercorregido su capacidad de corriente por el factor 0,9, nos hubiera quedado un valor de 30 A, con lo que no nos eraposible elegir un interruptor que protegiera correctamente al cable y a la carga eléctrica. Por último, cabe mencionar la situación particular de un circuito de 4 hilos (3F + N) en donde la sección del neutro fuedimensionada la mitad de la de las fases, pero donde el interruptor automático de protección es tripolar.De lo antes explicado, concluimos que en este caso, dicho conductor neutro no está siendo bien protegido, dado que elvalor eficaz del interruptor fue elegido pensando en la sección de los conductores de fase. Una de las soluciones paraesta situación es instalar un interruptor correctamente dimensionado para la sección del neutro, pero que en caso deque este abra el circuito, accione la apertura de las otra tres fases. Otra solución es, la que usted ya se dio cuenta:recablear el neutro con la sección adecuada. Protección contra corto­circuitos Las corrientes de cortocircuito en los tableros generales de baja tensión pueden superar los 50 kA. Estas elevadascorrientes producen calentamientos en todo el circuito por donde circulan, dilatando conexiones y produciendo múltiplesaverías en el circuito eléctrico, llegando al extremo de producirse incendios (en caso que la protección eléctrica esté maldimensionada, no normalizada, o sea, de calidad dudosa).Pero, tal como se ha mostrado en artículos anteriores, estas altas corrientes de defecto van decreciendo al alejarnos deltablero general de la instalación.A partir de lo anterior podemos empezar diciendo que la condición que debe cumplirse para que una instalación estécorrectamente protegida contra cortocircuitos es, dicho en forma sencilla, que existan dispositivos capaces de cortartoda corriente de cortocircuito antes de que los conductores y las conexiones sufran daño, ya sea por efectos térmicoso electrodinámicos.La condición anterior, aunque parezca muy sencilla de decir, es la que establecen, de distintas formas, los reglamentosde instalaciones eléctricas de baja tensión de los distintos países del mundo. Vamos a exponer lo que es común atodos los reglamentos de instalaciones eléctricas del mundo, en términos entendibles, acerca de lo que se exige a losinterruptores de riel para que, correctamente seleccionados, protejan nuestra instalación contra cortocircuitos.Un interruptor, (y en el caso que estamos hablando, un interruptor de riel), protege correctamente un circuito ante uncortocircuito, si cumple con las dos condiciones siguientes: 

A.  El poder de corte Icn del interruptor debe ser mayor a la corriente de cortocircuito (IK) esperada endicho punto de la instalación.

B.  El interruptor de protección debe cortar toda la corriente de cortocircuito antes de que la temperaturade los conductores de dicho circuito superen la temperatura máxima admisible en cortocircuito (160ºC para PVC y 250 ºC para XLPE).

 Para cumplir con el punto A. debemos, primero, estimar la corriente de cortocircuito en el punto de interés de nuestrainstalación (como, por ejemplo, por el método que está en el número 9 de ElectroMagazine, que difiere en poco del queaparece en el anexo del capitulo 2 del reglamento de baja tensión de UTE) y luego elegir un interruptor cuyo poder decorte Icn, sea mayor que Ik.(Esto, a su vez, fue explicado en el artículo anterior de esta serie)Sobre el punto B. tenemos que hablar un poco más. Para poder cumplir con este punto B.  bastaría, en teoría, que elinterruptor de riel abriera la corriente de falta “instantáneamente”. Pero esta no es la situación real. Todo interruptordemora, aunque poco, un cierto tiempo en abrir el circuito. Es más, sírvase notar que, mientras más larga sea la línea aproteger, mayor valor en resistencia tendrá el circuito al final de la misma, con lo que el valor de la corriente decortocircuito disminuirá, con la consecuencia de que el interruptor demorará más en abrir dicha corriente. Esto se ilustraen la figura 2. 

 

    

 figura 2: A mayor largo de línea, la corriente de cortocircuito disminuye, y el interruptor demora más en extinguir la falta Según el valor de cortocircuito al que esté sometido el conductor, el interruptor que lo protege deberá abrir antes quedicho conductor llegue a su temperatura máxima de cortocircuito, pues de no hacerlo así, los daños sobre la aislacióndel conductor serán irreversibles. Por este motivo, UTE brinda en su reglamento, una fórmula para poder calcular dichotiempo (en el caso del conductor) que le servirá al proyectista para compararlo con el de apertura del interruptor (el cualdeberá ser menor). Pero para usar este método, el proyectista deberá poseer las curvas de los interruptores, cosa queno siempre es posible. Y además, creemos que es un método un tanto complicado para el caso de interruptores de riel(aún así, este método será completamente explicado cuando hablemos de interruptores en caja moldeada).Para interruptores de riel, existe un método práctico mucho más sencillo. El método práctico para cumplir con B. consiste en realizar 2 comprobaciones:B.1)  que el largo de la línea no supere lo establecido en la tabla de la figura 3.B.2) que la energía máxima que deja pasar el interruptor de riel (que se mide en A2s) sea menor que la máximaenergía que admite el conductor de dicho circuito (tabla 1 de la figura 4).

 

 figura 3: Largo máximo* de la línea en función del interruptor de riel que lo protege

 *Nota: Los valores de las tablas de la figura 3 son el largo máximo, para cada sección de conductor, de forma tal deasegurar que ante el cortocircuito de menor valor (fase­neutro o fase­fase), el valor de corriente que se produzca seamayor a la Im (corriente magnética) de dicho interruptor. Y se supuso el caso estandar, es decir un interruptor curva  C.Para un Curva D, las distancias de la tabla deben ser divididas entre 2. Estas “energías” son valores que representan lo que sucede en el circuito durante todo el intervalo de tiempo en que elinterruptor demora en abrir las elevadas corrientes de cortocircuito. En términos generales, para saber cuál es la energíamáxima que deja pasar el interruptor, debemos tener los datos del fabricante. Sin embargo, podemos llegar aprescindir de este dato (y es parte de la sencillez de este método) si usamos interruptores del tipo limitador decorrientes de cortocircuito (o también llamados limitadores de energía) pues, en estos casos, la energía máxima quedeja pasar, está normalizada (por la misma norma IEC 60898, y es la que figura en la tabla 2 de la figura 4) y entoncesno necesitamos recurrir a los datos del fabricante. La norma IEC 60898 clasifica a los interruptores en Clase 2 y Clase 3según cuánta energía dejan pasar durante un cortocircuito. La mayoría de los interruptores de buena calidad sonlimitadores de corrientes de cortocircuito (o limitadores de energía). 

 Figura 4: Tabla de máxima energía que admite un conductor y la máxima energía que deja pasar un interruptor Clase 2

y Clase 3. Valores tomados de la IEC 60898. Los interruptores limitadores de corrientes de cortocircuito se identifican fácilmente observando si tienen un símboloen su frente, que consiste de un número (que puede ser un 2 o un 3, según sean Clase 2 o Clase 3) dentro de uncuadrado. Por ejemplo, la mayoría de los interruptores (de riel DIN) marca Merlín Gerin y Siemens que se venden enUruguay son Clase de limitación 3 (y se identifican con símbolo de ” 3 “ en el frente del interruptor). Veamos un ejemplo que ilustre como usar estas tablas. Ejemplo 2: Supongamos el caso del ejemplo 1 (con un nivel de cortocircuito de 5 kA) pero con un interruptor C32 marcaMerlín Gerin ó Siemens. Y supongamos que la línea de 6 mm2 tiene un largo de 25 m . ¿Estará debidamente protegidala línea contra cortocircuitos?.Para cumplir con el punto A debemos seleccionar un interruptor que tenga más de 5 kA de Icn (poder de corte o poderde apertura). Por lo que elegiremos uno de 6 kA (trae marcado un 6000 en el frente). Para cumplir con el punto Bdebemos cumplir B.1 y B.2. Entonces para cumplir B.1) verificaremos en la tabla de la figura 3, que un cable de 6 mm2

protegido con un interruptor de 32 A puede tener hasta 61 m de largo, y como nuestro circuito es de 25 m, cumplimoscon este requerimiento. A continuación, para cumplir con el punto B.2) hacemos uso de las tablas de la figura 4. Allíobservamos (tabla B) que un interruptor Siemens ó Merlín Gerin, C32, de Icn de 6 kA, clase de limitación 3, deja pasaruna energía máxima de 55000 A2s. Por otro lado (de la tabla A) vemos que un cable de 6 mm2 admite 476100 A2s(buscando en la columna de nombre K2S2), por lo que cumplimos con el requerimiento que solicita el punto B.2 .Finalmente, concluimos que el circuito está correctamente protegido ante cortocircuitos. En el caso que usted no disponga de un interruptor de riel que no sea limitador de energía, los reglamentos de bajatensión (por ejemplo de Argentina, Brasil y España) le obligan a verificar la condición B mediante los datos que proveeel fabricante. Este lo puede proveer de 2 formas: 1) El fabricante sólo le informa el valor máximo de energía (en A2s)que el interruptor deja pasar, ó 2) el fabricante le suministra curvas donde informa los valores de energía que elinterruptor deja pasar. El proceso para verificar el cumplimiento de B en el caso 2) corresponde al estudio genérico del cumplimiento de laprotección contra cortocircuitos, que como mencionamos antes, lo vamos a analizar cuando estudiemos lascaracterísticas de los interruptores en caja moldeada (conocidos también como monoblock). Para verificar elcumplimiento de B en el caso 1), veamos el siguiente ejemplo. Ejemplo 3: Supongamos el caso del ejemplo 2 pero con un interruptor C32 marca Zapateca (una marca imaginaria),donde el fabricante nos asegura que, para el modelo que compramos, la energía que el interruptor deja pasar vale520000 A2s. Y supongamos que, efectivamente, hemos adquirido un Zapateca C32 con poder de corte Icn de 6 kA.Con esto anterior cumpliríamos el punto A de la condición de protección contra cortocircuitos. Para cumplir con el puntoB debemos cumplir B.1 y B.2. Para cumplir B.1) el análisis es idéntico al del ejemplo anterior, pues no depende delinterruptor. A continuación, para cumplir con el punto B.2) no podemos hacer uso de la tabla B de la figura 4, pero ensu lugar vamos a usar el valor dado por el fabricante de 520000 A2s. Por otro lado (de la tabla A de la figura 4) vemos

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que el cable de 6 mm2 admite una energía máxima de 476100 A2s. Por lo que cumplimos que el interruptor deja pasarmayor energía a la que soporta el cable, y como consecuencia, este interruptor no protege correctamente el circuitoante cortocircuitos. La solución es muy sencilla: sustituir el cable por uno de la sección inmediata superior, es decir 10mm2, el cual admite 1322500 A2s . A partir del próximo artículo empezaremos a tratar las características de los interruptores de caja moldeada. Autor: Ing. Alberto MikalaiunasElectroMagazine agradece la colaboración del  Ing. Gonzalo Correa.Consultas: consultas@electromagazine.com.uyBibliografía:Guide pratique UTE C 15­105Tecnología Eléctrica de José Roger FolchInstalaciones Eléctricas de Ademaro CotrimReglamento de Baja tensión de UTEInstalaciones Eléctricas de Ing. Rubén Levy  

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